肿瘤放射治疗学中的生物学基础
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临床肿瘤放射生物学
Redistribution
第六章 临床放射生物学研究的主要方法
第一节 第二节 第三节
细胞存活的测定方法 离体培养细胞的照射 实验肿瘤模型及其分析方法 实体瘤乏氧照射，生长延缓，再生长延缓 肿瘤的离体模型
第五章 肿瘤临床放射生物学概论
第一节
肿瘤放射治疗的生物学基础
一、电离辐射对细胞的作用
1. 直接作用 电离辐射直接将能量传递给生物 分子，引起电离和激发，导致分 子结构的改变和生物活性的丧失。 这个作用是随机的，生物分子的 损伤局限于分子的一定部位或较 弱的化学键上。 2. 间接作用 射线通过与细胞中的非靶原子或 分子（特别是水分子）作用，产 生自由基，后者可以扩散一定距 离达到一个关键的靶并造成靶分 子损伤。
•潜在致死损伤 ( potential lethal damage，PLD)修复 ：指在正常状态下，应 当在照射后死亡的细胞，若臵于适当的条 件下，由于损伤的修复，又可存活(保持无 限增殖能力)的现象。实验证明与PLD修复 有关的细胞几乎均为乏氧细胞，并主要存 在于G0期及相当不活跃的G1期细胞内。
第一节
肿瘤放射治疗的生物学基础
6．细胞存活曲线有关参数的含义
Do(平均致死剂量，mean lethal does)：为存活曲线 直线部分斜率k的倒数(Do =1/k )，表示细胞的放射 敏感性，即照射后余下37％细胞所需的放射量。 D0值越小，即杀灭63％细胞所需的剂量就越小， 曲线下降迅速(斜率大)。 N值(外推数，extrapolation number)：细胞内所含的 放射敏感区域数，即靶数，表示细胞内固有的与放 射敏感性相关的参数，是存活曲线直线部分的延长 线与纵轴相交处的数值。 Dq值(准阈剂量，quasithreshold dose)：代表存活曲 线的肩段宽度，细胞表现为亚致死损伤的修复(全 部细胞进入n-1状态之前)。Dq值越大，说明造成细 胞指数性死亡的所需剂量越大。经存活率为100％ 的点作与横轴平行的直线，再延长存活曲线直线部 分与之相交即可得出Dq值。 Ds：意义同Dq，更好地表示了肩段的宽度，即存 活曲线呈直线下降前所受到的剂量，但在存活曲线 上是肩段的实际宽度。 D-2：即细胞数下降到10-2时(S=0.01)所受到的剂量 值。
放射治疗技术生物
（3）总治疗时间：因为晚反应组织更新慢，放疗期 间不发生代偿性增殖，所以对治疗时间变化不敏感 ，缩短治疗时间会增长对肿瘤细胞旳杀灭，但不会 增长晚期并发症。早反应组织对治疗时间反应敏感 ，缩短治疗时间早反应组织损伤加重。早反应组织 对射线旳反应类似于肿瘤组织。
二、非常规分割照射旳生物学基础
超分割：指在一样旳总治疗时间内用更多旳分次数。一天内多 于一种分次，但分次剂量降低。 1.2Gy/次，每天2次，间隔6 小时以上。总剂量与常规放疗相同，其目旳是保护正常组织。
细胞存活旳意义
细胞存活曲线
1、细胞存活曲线旳绘制
离体细胞培养 不同剂量照射 单细胞接种 细 胞培养 2周左右计算集落形成数目 计算存活率
绘制存活曲线
2、细胞存活曲线旳形状
1）指数性存活曲线 2）非指数性存活曲线
3、细胞存活曲线有关参数旳含义
D0 (平均致死剂量)：是指细胞存活从0.1下降到0.037或从 0.01下降到0.0037所需旳剂量。表达受照射细胞在高剂量 区旳放射敏感性。D0值越大，细胞对放射越抗拒。
线性二次模式与α/β值
S =e -n (αd +βd2) 描述了组织生物效应与分次照射及剂量 之间旳关系 预测不同剂量分割方式旳生物效应 进行不同剂量分割方式旳等效转换
不同组织射线照射后反应不同。根据细胞增殖动力学 和α/β比值将正常组织提成早反应组织和晚反应组织。
早反应组织：指机体内分裂、增殖活跃并对放射线早期反 应强烈旳组织，如上皮、黏膜、造血组织、精原细胞等；( 涉及大多数肿瘤组织) 晚反应组织：指机体内无再增殖能力，损伤后仅以修复代 偿其功能旳细胞组织，如脊髓、肾、肺、肝、结缔组织等。
② 潜在倍增时间（potential doubling time ,T pot）， 用来描述肿瘤生长速度旳理论参数，定义：假设在没有细胞 丢失 旳情况下，肿瘤细胞群体增长一倍所需要旳时间。这 取决于细胞周期时间和生长百分比。 潜在倍增时间能够经过测定胸腺嘧啶标识数（LI）或S期百 分比（S-Phase fraction）取得：T pot＝λ×Ts/LI ③ 细胞丢失因子（cell loss factor），肿瘤细胞旳丢失 能够经过计算细胞丢失因子来体现。细胞丢失因子=1- T pot/Td
肿瘤放射生物学专家讲座
第21页
电离辐射生物学作用——
生物机体对电离辐射反应不一样于无生命物质。
1、生物机体对电离辐射反应特征： 1）敏感 DNA在2.84C/kg(11000R)照射下， 才引发结构改变；而在生物体内，若用LD100/30d来 照射小鼠，只须几百伦琴就能够引发DNA结构改变。 2）射线对生物机体作用有潜伏期。 3）生物机体对电离辐射反应是损伤与修复 矛盾统一。
研究电离辐射对生物作用机制、辐射损伤及 其修复、放射防护等综合性科学。
肿瘤放射生物学
第2页
电离辐射普通概念——
电离辐射有粒子辐射和电磁辐射。 1、粒子辐射：α射线、β射线、带电质子和 中子辐射； 2、电磁辐射：γ射线和X射线辐射，这类辐 射是光量子发射。
肿瘤放射生物学
第3页
电离射线普通特点：高能、穿透力强。它基 本反应在电离射线射程和电离密度上。
电离作用形成离子对数量相关原因： 1）、能量高，则形成离子对多； 2）、在同一能量水平时，电荷多，形成离 子对就多；反之亦然；无电荷，则不形成离子对。 α粒子带电荷多，形成离子对也就多；而β射线 和γ射线，因为带电荷少，形成离子对就少。
肿瘤放射生物学
第8页
3）、粒子（射线）速度大，电离密度（即 离子对/cm，就是在1cm行程所形成离子正确数量） 小；速度小则电离密度大。α粒子带电荷多，质量 较大，故电离密度大，但它运行旅程短，穿透力 低，而β射线穿透力较强。
O
●n
γ
n
因为中子不带电荷，只有在碰撞时才能引发改变。
肿瘤放射生物学
第12页
3）辐射俘获：打进去是慢中子，放出来 是γ射线。中子被核所吸收，被激发了核以γ量 子形式放出其多出能量。慢中子能量与气体 能量差不多，故又叫热中子。它是经一系列碰撞 后能量逐步减低结果。
放射生物学基础
正在分化中有增殖能力的细胞
对射线相当敏感，略低于第一类细胞。 由第一类细胞产生，较第一类细胞分化。 正在分化中不同造血系统的有分裂能力的 细胞和比较分化的精原细胞。
多种归宿的结缔组织细胞
处于相对敏感和相对抗拒之间。 分裂不规律，平均寿命长于前两类细胞。 内皮细胞、纤维母细胞和间质细胞。
正常组织和器官的放射效应
种系和个体发育的放射敏感性 早期反应组织和晚期反应组织 细胞群体动力学特点
种系和个体发育的方射敏感性
不同种系的生物对电离辐射的敏感性 有很大差异，其总的趋势是随着种系 演化越高，机体组织结构越复杂，其 放射敏感性越高。
早期反应组织和晚期反应组织
大多数情况下，增殖旺盛、分化程度低的细胞要 比无增殖能力、分化高的细胞对射线更敏感。 这是因为前者很快发生增殖死亡，而引起这种效 应所需要的照射剂量较低，而后者因为分裂活动 低下或不分裂，没有或很少发生增殖死亡，所需 要达到细胞死亡的剂量则要高得多。
非常规分割放射治疗
常规大剂量：缩短总的治疗时间，每次剂量同 常规分割稍多一点，一般大于250cGy/次，1 次/日，5日/周 分段治疗：有利于正常组织修复及肿瘤的再氧 合，对年老体弱病人较为适合。但延长疗程是 不利于肿瘤控制的。
分次照射计划的调整及临床应用
每周5次、每次2Gy的常规分割治疗方法， 虽然应用多年，但对每个具体肿瘤病人并不 一定是最佳的治疗方案。 因此需要我们调整分次治疗计划，以适合各 种不同临床情况肿瘤病人的治疗。
不同组织的α /β 值（Gy）
早反应组织 皮肤 空肠 结肠 睾丸 α /β 9~12 6~10 10~11 12~13 晚反应组织 脊髓 肾 肺 膀胱 α /β 1.0~4.9 1.5~2.4 2.4~6.3 3.1~7
肿瘤放射治疗策略——放射生物学基础篇
• 在光子的生物效应中，如果光子能量超过 124eV，就会使生物物质发生电离。
电离辐射对生物体的作用 《生物效应》
• 2.化学阶段 • 概念：受损的原子和分子与其他细胞成分发
生快速化学反应的时期 • 作用方式：电离和激发导致化学键的断裂和
自由基的形成（即破损的分子）。 • 此阶段的特点：清除反应之间的竞争，如灭
入射χ线光子
快速电子
自由基
离子自由基
由化学键断裂引起的化学变化
生物效应
电离辐射对生物体的作用 《电离辐射的直接和间接作用》
放射线的细胞效应 《电离辐射的细胞效应》
• 1.辐射诱导的DNA损伤及修复 • 理论依据：有许多的研究证据显示，
DNA是引起一系列放射生物学效应（ 包括细胞死亡、突变和致癌）的关键 靶。 • DNA是射线杀伤细胞的主要靶。 • DNA的破坏，中断了细胞分裂所必须 的DNA复制过程。 • DNA损伤主要为单链或双链的断裂， 单链断裂在一定条件下还可能修复， 双链断裂则难以修复，导致细胞死亡
• 描述了组织生物效应与分次照射及剂量之间的关系 • 预测不同剂量分割方式的生物效应 • 进行不同剂量分割方式的等效转换
• n1(αd1 +βd12)= n2(αd2 +βd22)
• 不同组织射线照射后反应不同。根据细胞增殖动力学 和α/β比值将正常组织分成早反应组织和晚反应组织 。
肿瘤放射治疗策略
——放射生物学基础篇
概述
• 重要性：放射肿瘤学的三大基本 支柱：肿瘤学、放射物理学、临 床放射生物学。
• 目的：提高肿瘤放射治疗疗效， 减少正常组织损伤，延长患者生 命和改善生活质量。
• 意义：是放射肿瘤学家了解放射 线治疗肿瘤的生物学机制，以及 从事有关研究的思想库和试验基 地。
电离辐射对生物体的作用 《生物效应》
• 2.化学阶段 • 概念：受损的原子和分子与其他细胞成分发
生快速化学反应的时期 • 作用方式：电离和激发导致化学键的断裂和
自由基的形成（即破损的分子）。 • 此阶段的特点：清除反应之间的竞争，如灭
入射χ线光子
快速电子
自由基
离子自由基
由化学键断裂引起的化学变化
生物效应
电离辐射对生物体的作用 《电离辐射的直接和间接作用》
放射线的细胞效应 《电离辐射的细胞效应》
• 1.辐射诱导的DNA损伤及修复 • 理论依据：有许多的研究证据显示，
DNA是引起一系列放射生物学效应（ 包括细胞死亡、突变和致癌）的关键 靶。 • DNA是射线杀伤细胞的主要靶。 • DNA的破坏，中断了细胞分裂所必须 的DNA复制过程。 • DNA损伤主要为单链或双链的断裂， 单链断裂在一定条件下还可能修复， 双链断裂则难以修复，导致细胞死亡
• 描述了组织生物效应与分次照射及剂量之间的关系 • 预测不同剂量分割方式的生物效应 • 进行不同剂量分割方式的等效转换
• n1(αd1 +βd12)= n2(αd2 +βd22)
• 不同组织射线照射后反应不同。根据细胞增殖动力学 和α/β比值将正常组织分成早反应组织和晚反应组织 。
肿瘤放射治疗策略
——放射生物学基础篇
概述
• 重要性：放射肿瘤学的三大基本 支柱：肿瘤学、放射物理学、临 床放射生物学。
• 目的：提高肿瘤放射治疗疗效， 减少正常组织损伤，延长患者生 命和改善生活质量。
• 意义：是放射肿瘤学家了解放射 线治疗肿瘤的生物学机制，以及 从事有关研究的思想库和试验基 地。
肿瘤放射生物学基础(一)
电离辐射
单链断裂
DNA的双螺旋结构结构
双链断裂 （关键损伤）
辐射所致的细胞死亡
概念：细胞死亡是放射线对细胞的遗传物质和 DNA造成不可修复的损伤。
细胞死亡形式：胞核的放射敏感比胞质高100倍 ⑴间期死亡 ⑵有丝分裂死亡
细胞死亡的机制：⑴DNA是关键靶 ⑵凋亡
细胞存活曲线
定义：根据不同的剂量和相应的不同生存率绘制出来 的曲线，即为细胞存活曲线。这曲线既可以通过体外 细胞培养，也可以通过体内试验获得。研究和评估电 离辐射哺乳动物细胞增殖能力即再繁殖完整性的影响。
细胞存活曲线几个参数
• D0平均致死量，代表着这一细胞群的放射敏感性，直线 越陡，即D0值越小，杀灭63%细胞所需要的剂量就越小。
• N值指细胞内所含的放射敏感区的域数，即靶数。 • Dq代表存活的肩宽宽度，在此剂量范围内，细胞表现为
非致死损伤的修复，Dq值越大，造成细胞指数死亡所需 要的剂量越大。 • S2为照射2Gy后细胞的存活率。
肿瘤放射生物学基础
（一）
南华大学附属南华医院肿瘤科 孙建湘
电离辐射对生物体的作用
电 离 辐 射
照射
生 物理吸收 物 体 化学过程
生
物
效
应
电离辐射对生物的作用
➢ 物理阶段 10-18秒 1Gy—105电离 ➢ 化学阶段 自由基 ➢ 生物阶段 损伤 修复 癌变
电离辐射照射生物系统后的效应时间表
电离辐射的生化效应
细胞存活的唯一标准：受照射的细胞是否保留无限增 殖的能力。
（如果细胞受照射后形态完整，还能进行少数几次有丝分裂， 但已经失去了无限分裂增殖的能力，仍被认为是死亡细胞）
生存曲线的绘制：由于射线对生物体的损伤是随机 的，细胞对射线的敏感度不同，我们可以看到细胞 的存活曲线可出现两种情况。细胞的生存曲线是一 条直线，说明细胞对射线敏感的表现，也就是说， 细胞DNA被一次击中就发生死亡。但是大多数细胞并 非这种情形，在低剂量区时，存活曲线有一个肩区， 当剂量较大时，才成直线。因此生存曲线是一个二 次曲线，我们常用线性二次方程来描述。生存曲线 的肩区，是由于细胞受到射线照才 能死亡，因此在低剂量区时有一个放射损伤的积累 过程。
肿瘤放射治疗PPT课件【可编辑全文】
放射生物学
37
细胞照射后的存活曲线-氧效应
38
正常组织和肿瘤细胞在分次照射 中的4个变化（4R）
肿瘤细胞放射损伤的修复（Repair）
致死性损伤
亚致死性损伤
潜在致死性损伤
肿瘤细胞的再增殖（Regeneration）
残存细胞加速再增殖、G0期细胞进入增殖周期
细胞周期再分布（Redistribution） G2
电
离
辐
电子
射
中子
粒子辐射
质子
加 速
器
负π介子
重粒子LETຫໍສະໝຸດ LET远距离治疗 低
近距离治疗
射 线
高
远距离治疗
射 线
11
放射物理学及放疗设备
1. 电离辐射与物质作用 2. 放射源与放射治疗设备 3. 放射剂量单位 4. 放射治疗剂量学四原则
12
一．电离辐射和物质作用
能够使物质发生电离的射线称为电离辐射线 电离是射线引起物质物理、化学变化及生物效 应的主要机制。 带电粒子辐射: α粒子、β粒子等 非带电粒子辐射：X射线、 γ射线、中子等
疗程时间 影响大
影响大
影响小
总剂量
影响大
影响大
影响大
放疗原则：以较小的分割剂量、在尽可能短的总疗
程内给予一定的总剂量。
照射（重要器官的保护）
Cancer Center 26 SUMS
三 高能电子束临床剂量学特点
射程深度与能量成正比; 一定深度内剂量分布较 均匀，超过一定深度后 剂量迅速下降; 骨、脂肪、肌肉对电子 线吸收差别不显著; 可用单野作浅表或偏心 部位肿瘤的照射。
电子束深度剂量曲线
放射物理学
27
37
细胞照射后的存活曲线-氧效应
38
正常组织和肿瘤细胞在分次照射 中的4个变化（4R）
肿瘤细胞放射损伤的修复（Repair）
致死性损伤
亚致死性损伤
潜在致死性损伤
肿瘤细胞的再增殖（Regeneration）
残存细胞加速再增殖、G0期细胞进入增殖周期
细胞周期再分布（Redistribution） G2
电
离
辐
电子
射
中子
粒子辐射
质子
加 速
器
负π介子
重粒子LETຫໍສະໝຸດ LET远距离治疗 低
近距离治疗
射 线
高
远距离治疗
射 线
11
放射物理学及放疗设备
1. 电离辐射与物质作用 2. 放射源与放射治疗设备 3. 放射剂量单位 4. 放射治疗剂量学四原则
12
一．电离辐射和物质作用
能够使物质发生电离的射线称为电离辐射线 电离是射线引起物质物理、化学变化及生物效 应的主要机制。 带电粒子辐射: α粒子、β粒子等 非带电粒子辐射：X射线、 γ射线、中子等
疗程时间 影响大
影响大
影响小
总剂量
影响大
影响大
影响大
放疗原则：以较小的分割剂量、在尽可能短的总疗
程内给予一定的总剂量。
照射（重要器官的保护）
Cancer Center 26 SUMS
三 高能电子束临床剂量学特点
射程深度与能量成正比; 一定深度内剂量分布较 均匀，超过一定深度后 剂量迅速下降; 骨、脂肪、肌肉对电子 线吸收差别不显著; 可用单野作浅表或偏心 部位肿瘤的照射。
电子束深度剂量曲线
放射物理学
27
肿瘤放射生物学基础(二)
灵活组织
细胞组织的放射反应
❖ 细胞反应: 胞核的放射敏感比胞质高100倍 ❖ (1)间期死亡; ❖ (2)增殖死亡 ❖ 放射线对正常组织的影响(受照面积越大反应
越大) ❖ (1)早反应组织 ❖ (2)晚反应组织 ❖ (3)正常耐受量:A,最小耐受量(TD5/5) B,最大
耐受量(TD50/5)
❖ 早反应组织是指放射反应常在放疗早期出现，轻至
现的一系列变化——4 R理论
1，放射损伤的修复(Repair) 受到致死损伤的细 胞将发生死亡，而射线引起的所谓亚致死损伤及 潜在致死损伤的细胞，在给予足够时间、能量及 营养的情况下，可以得到修复生存下来。
2，再氧合作用（Reoxygenation） 氧在辐射 产生自由基的过程中有重要作用，富氧细胞对 放疗比较敏感，较易被放射线杀死，乏氧细胞 对放疗耐受性较强，不易被杀灭。肿瘤组织常 有供血不足及乏氧细胞比率高的问题，部分癌 细胞可逃避放射损伤，这是放疗后肿瘤再生长 及复发的常见原因之一。放疗中，富氧细胞被 杀灭，原来乏氧的细胞可能获得再氧合的机会， 从而对放疗的敏感性增加。
肿瘤指数性和非指数性生长
指数性生长：肿瘤体积在相等的时间间隔内以一个恒定的 比例增加。
指数性生长的公式： V=exp(0.693.T/Td)
式中0.693是ln2,T是时间，肿瘤体积的对数随时 间呈线性增长。
大量的动物实验肿瘤的放射生物学研究得出很 多重要的概念： 1.肿瘤的体积效应
2.再群体化的加速
早期和晚期放射反应
早期放射放应：发生于受照射后最初几天或
几周，多发生于更新快的组织，发生时间取 决于分化可乐的功能细胞的寿命。
晚期放射放应：是指实质细胞耗竭后无力再
生而最终导致纤维化。是受照射后由细胞因 子和生长因子介导的各个细胞群间的相互作 用，最终导致晚期放射损伤。
细胞组织的放射反应
❖ 细胞反应: 胞核的放射敏感比胞质高100倍 ❖ (1)间期死亡; ❖ (2)增殖死亡 ❖ 放射线对正常组织的影响(受照面积越大反应
越大) ❖ (1)早反应组织 ❖ (2)晚反应组织 ❖ (3)正常耐受量:A,最小耐受量(TD5/5) B,最大
耐受量(TD50/5)
❖ 早反应组织是指放射反应常在放疗早期出现，轻至
现的一系列变化——4 R理论
1，放射损伤的修复(Repair) 受到致死损伤的细 胞将发生死亡，而射线引起的所谓亚致死损伤及 潜在致死损伤的细胞，在给予足够时间、能量及 营养的情况下，可以得到修复生存下来。
2，再氧合作用（Reoxygenation） 氧在辐射 产生自由基的过程中有重要作用，富氧细胞对 放疗比较敏感，较易被放射线杀死，乏氧细胞 对放疗耐受性较强，不易被杀灭。肿瘤组织常 有供血不足及乏氧细胞比率高的问题，部分癌 细胞可逃避放射损伤，这是放疗后肿瘤再生长 及复发的常见原因之一。放疗中，富氧细胞被 杀灭，原来乏氧的细胞可能获得再氧合的机会， 从而对放疗的敏感性增加。
肿瘤指数性和非指数性生长
指数性生长：肿瘤体积在相等的时间间隔内以一个恒定的 比例增加。
指数性生长的公式： V=exp(0.693.T/Td)
式中0.693是ln2,T是时间，肿瘤体积的对数随时 间呈线性增长。
大量的动物实验肿瘤的放射生物学研究得出很 多重要的概念： 1.肿瘤的体积效应
2.再群体化的加速
早期和晚期放射反应
早期放射放应：发生于受照射后最初几天或
几周，多发生于更新快的组织，发生时间取 决于分化可乐的功能细胞的寿命。
晚期放射放应：是指实质细胞耗竭后无力再
生而最终导致纤维化。是受照射后由细胞因 子和生长因子介导的各个细胞群间的相互作 用，最终导致晚期放射损伤。
放射医学的肿瘤生物学
放射医学的肿瘤生物学放射医学是一门应用放射性物质和电磁辐射来防治疾病的学科。
肿瘤生物学则是研究肿瘤起源、发展和治疗的学科。
放射医学的肿瘤生物学是指将这两个学科结合起来，探讨放射医学在肿瘤生物学中的应用。
一、放射医学在肿瘤生物学中的基础知识放射医学在肿瘤生物学中的应用是建立在对肿瘤的认识和理解的基础上的。
我们先来了解一些肿瘤生物学的基础知识。
1. 肿瘤的定义和分类肿瘤是指人体组织中发生的异常增生，可以分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类。
良性肿瘤生长缓慢，细胞组织结构比较接近正常组织，不具有侵袭性，不会扩散到其他部位。
而恶性肿瘤则具有侵袭性和转移性，细胞组织结构异常，会侵入周围正常组织并扩散到其他部位。
2. 肿瘤的发生和发展肿瘤的发生和发展是一个复杂的过程，主要包括细胞的突变、增殖和转移。
突变是指细胞染色体结构和基因序列发生变化，导致细胞功能异常。
增殖是指肿瘤细胞的不受控制地分裂繁殖。
转移是指肿瘤细胞侵入血管或淋巴管系统，进入其他组织器官生长和繁殖。
3. 放射医学在肿瘤治疗中的作用放射医学在肿瘤治疗中起到至关重要的作用。
通过应用放射性物质和电磁辐射，可以杀死或抑制肿瘤细胞的增殖，达到治疗肿瘤的目的。
放射治疗可以单独应用，也可以与手术、化疗等其他治疗方法联合应用，提高治疗效果。
二、放射医学在肿瘤生物学中的应用放射医学在肿瘤生物学中的应用主要包括肿瘤诊断、肿瘤治疗和肿瘤预防等方面。
1. 肿瘤诊断中的放射医学应用放射医学在肿瘤诊断中应用最为广泛。
常见的放射学检查方法包括X射线、CT、PET-CT、MRI等。
这些检查方法可以帮助医生观察肿瘤的位置、大小、形态特征等，确定肿瘤的性质和分期，为后续的治疗方案提供依据。
2. 肿瘤治疗中的放射医学应用放射治疗是目前广泛应用于肿瘤治疗的一种方法。
它通过应用高能电磁辐射或放射性药物，杀死或抑制肿瘤细胞的增殖，达到治疗肿瘤的目的。
放射治疗可以选择性地破坏肿瘤细胞，最大限度保护正常组织。
肿瘤放射物理学-治疗计划设计的物理原理和生物学基础
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直接作用是指放射线直接与细 胞内的大分子相互作用，导致
分子结构和功能的改变。
间接作用是指放射线与水分子 相互作用，产生自由基和过氧 化物等有害物质，对细胞造成
损伤。
生物效应和剂量-效应关系
01
生物效应是指放射线对生物体产生的各种影响和损伤。
02
剂量-效应关系是指放射线的剂量与生物效应之间的关系，通常
肿瘤细胞具有异常的生长和增殖能力，不受机体控制。
肿瘤细胞的遗传不稳定
肿瘤细胞通常存在基因突变和染色体异常，导致遗传不稳定。
肿瘤细胞的代谢异常
肿瘤细胞代谢异常，通常表现为糖酵解增强和氧化磷酸化减少。
放射生物学的原理和概念
01
02
03
04
放射生物学是研究放射线对生 物体的作用和影响的学科。
放射线对生物体的作用包括直 接作用和间接作用。
经过3个月的治疗，患者肺部 原发灶和淋巴结转移灶明显缩 小，病情得到控制。
案例讨论和经验分享
治疗计划设计的关键因素
治疗计划设计时需要考虑多种因素，如肿瘤类型、分期、患者身体状况、放疗技 术和设备等。其中，剂量分布是放疗计划设计的核心要素，直接关系到治疗效果 和正常组织的保护。
经验分享
在肺癌放疗中，需要注意保肺组织，避免出现放射性肺炎等并发症。同时，需 要结合患者的具体情况制定个性化的治疗方案，以提高治疗效果和患者的生活质 量。
肿瘤放射物理学-治疗计划设 计的物理原理和生物学基础
目录
• 肿瘤放射物理学的概述 • 治疗计划设计的物理原理 • 治疗计划设计的生物学基础 • 治疗计划设计的临床应用和实践 • 案例分析
01
肿瘤放射物理学的概述
放射肿瘤学基础3
1)正常组织 损伤之后，组织的干细胞及子代细胞在 机体调节机制作用下，增殖、分化、恢 复组织原来形态的过程称做再群体化。
⒉)肿瘤组织
照射后可启动肿瘤内存活的克隆源细胞， 使之比照射或用药以前分裂更快，称为加 速再群体化。换言之，临床进行分次照射 时，每次照射剂量不可能达到破坏全部肿
瘤细胞的目的，在此期间，肿瘤细胞的再
细胞存活曲线
• 当单次照射引起上述两种效应相等,α/β值 即为两种效应相等时的剂量。
e-αD =e-βD2 α/β=D
• 正常早期反应组织具有较高的α/β值 (10Gy左右)，说明直接作用效应相对明显， 存活曲线表现的弯曲程度较小。 • 正常晚期反应组织的α/β值较低（约 3Gy），表明直接杀伤要比早反应组织少， 可修复损伤累积引起的杀伤相对较多.
例如：小鼠腹部10天内照射3.3Gyxl0次
或1.8Gyx 20次都有50％的死亡率。不论总 治疗时间是多少都可以写成10x3.3Gy＝ 20x1.8Gy，如时间延长(如用20天而不是 10天)，由于有细胞的再群体化而生物效应 降低(死亡率25％)，然而两种方案的结果一 样。如要在20天内达到50％死亡率，则实 验证明照射的分次数都要按同样比例增加， 即12x 3.3Gv＝24x1.8Gy
－βD2
细 胞 存 活 率
－αD
α/β=10Gy
Gy
当总的照射剂量被分割成较小剂量进行照 射时，由于在分次照射的间隔期，细胞有足 够的时间进行SLDR，因此，分次照射细胞 的剂量---存活曲线中存在多个肩区，当将各 肩区的起始点相连时，存活曲线接近呈一条 曲线。此直线被称为有效剂量---存活曲线。 该曲线的D0值定义为在分次照射中细胞 存活37%所需的剂量。 人类肿瘤细胞的D0值一般为3Gy
⒉)肿瘤组织
照射后可启动肿瘤内存活的克隆源细胞， 使之比照射或用药以前分裂更快，称为加 速再群体化。换言之，临床进行分次照射 时，每次照射剂量不可能达到破坏全部肿
瘤细胞的目的，在此期间，肿瘤细胞的再
细胞存活曲线
• 当单次照射引起上述两种效应相等,α/β值 即为两种效应相等时的剂量。
e-αD =e-βD2 α/β=D
• 正常早期反应组织具有较高的α/β值 (10Gy左右)，说明直接作用效应相对明显， 存活曲线表现的弯曲程度较小。 • 正常晚期反应组织的α/β值较低（约 3Gy），表明直接杀伤要比早反应组织少， 可修复损伤累积引起的杀伤相对较多.
例如：小鼠腹部10天内照射3.3Gyxl0次
或1.8Gyx 20次都有50％的死亡率。不论总 治疗时间是多少都可以写成10x3.3Gy＝ 20x1.8Gy，如时间延长(如用20天而不是 10天)，由于有细胞的再群体化而生物效应 降低(死亡率25％)，然而两种方案的结果一 样。如要在20天内达到50％死亡率，则实 验证明照射的分次数都要按同样比例增加， 即12x 3.3Gv＝24x1.8Gy
－βD2
细 胞 存 活 率
－αD
α/β=10Gy
Gy
当总的照射剂量被分割成较小剂量进行照 射时，由于在分次照射的间隔期，细胞有足 够的时间进行SLDR，因此，分次照射细胞 的剂量---存活曲线中存在多个肩区，当将各 肩区的起始点相连时，存活曲线接近呈一条 曲线。此直线被称为有效剂量---存活曲线。 该曲线的D0值定义为在分次照射中细胞 存活37%所需的剂量。 人类肿瘤细胞的D0值一般为3Gy
放射肿瘤学基础
缺点：
• 必须是悬浮生长细胞，成团生长，不分离。
多细胞球体生长曲线的测定
• 在显微镜下以测微尺测量20～40个球体 的直径，取其平均值，以天数为横坐标， 平均直径为纵坐标．获得多细胞球体的 生长曲线。 • 生长较慢的肿瘤细胞不适合于球体培养。 因它需要较长的培养期，使实验周期延 长，而且要消耗大量的培养液。
特点：
•
重复性、稳定性、定量性好
• 因常用小鼠故对人体缺乏反应性
Animal Tumor Models in Vivo Routes of Challenge
• • • • • • • IP (Intraperitoneal) SC (Sub-cutaneous) IM (Intra-Muscular) ID (Intra-dermal) IV (Intravenous) IT (Intra-thecal) PO (Orally)
生长速率的变化。
• 一是从照射时算起，肿瘤再长到与照 射当时同等大小所需的时间； • 一是从照射时算起，肿瘤长到指定大 小所需的时间（TX射线），与对照组肿
瘤长到同等大小所需时间（T肿瘤）相
比较。
• 优点：照射的剂量范围大(从几个戈瑞
到几十戈瑞均可），但是每个剂量点
需要8～10只动物，实验周期较长，从
1. Inject mice with enough cells to form a tumor
2. Irradiate when 6mm diam
3. Determine the dose of radiation that is needed to cure 50% of mice. Threshold-sigmoid 100 curve that goes from Percent of 10% to 90% cure mice with 50 tumors over about 10Gy in a clinical fractionation 0 scheme (which is 0 10 20 30 40 50 60 70 80 hard to do in mice).
肿瘤放射生物学
目前，肿瘤放射生物学的研究重点包括：放射线诱导的DNA损伤修复、细胞周期调控、细胞凋亡与自噬等机制，以及利用新型技术手段如基因编辑、高通量测序和人工智能等手段进行深入研究。
随着分子生物学和基因组学的发展，现代肿瘤放射生物学的研究范围已经扩展到细胞信号转导、基因表达调控以及肿瘤微环境等方面。
肿瘤放射生物学的历史与发展
肿瘤放射生物学应用
根据肿瘤类型、分期和患者状况，明确治疗的主要目标，如局部控制或全身治疗。
确定治疗目标
根据肿瘤的大小、位置和放射敏感性，计算出适当的放疗剂量，确保既能有效杀死癌细胞，又不会对正常组织造成过度损伤。
剂量计算
综合考虑肿瘤的位置、形状、大小以及正常组织的保护，制定出个性化的放疗计划，包括照射野设计、剂量分布和照射角度等。
制定治疗计划
ห้องสมุดไป่ตู้
肿瘤放射治疗计划制定
肿瘤放射治疗过程中的生物学监测
实时监测肿瘤反应
通过影像学检查和生物学标记物，监测肿瘤在放疗过程中的变化，及时调整治疗方案。
保护正常组织
通过生物学监测，了解正常组织的耐受性和损伤情况，及时调整放疗剂量和方案，以减少副作用和并发症。
预测疗效和预后
根据生物学监测结果，预测治疗效果和患者预后，为后续治疗提供参考依据。
研究辐射对肿瘤细胞蛋白质表达和功能的影响，揭示辐射对肿瘤细胞蛋白质组的影响。
分子生物学技术
蛋白质组学分析
基因表达分析
基因组学技术
利用基因组学技术（如全基因组测序、单核苷酸多态性分析等）研究辐射对肿瘤细胞基因组稳定性的影响。
蛋白质组学技术
利用蛋白质组学技术（如质谱分析、蛋白质芯片等）研究辐射对肿瘤细胞蛋白质表达和功能的影响。
基因组学与蛋白质组学技术
随着分子生物学和基因组学的发展，现代肿瘤放射生物学的研究范围已经扩展到细胞信号转导、基因表达调控以及肿瘤微环境等方面。
肿瘤放射生物学的历史与发展
肿瘤放射生物学应用
根据肿瘤类型、分期和患者状况，明确治疗的主要目标，如局部控制或全身治疗。
确定治疗目标
根据肿瘤的大小、位置和放射敏感性，计算出适当的放疗剂量，确保既能有效杀死癌细胞，又不会对正常组织造成过度损伤。
剂量计算
综合考虑肿瘤的位置、形状、大小以及正常组织的保护，制定出个性化的放疗计划，包括照射野设计、剂量分布和照射角度等。
制定治疗计划
ห้องสมุดไป่ตู้
肿瘤放射治疗计划制定
肿瘤放射治疗过程中的生物学监测
实时监测肿瘤反应
通过影像学检查和生物学标记物，监测肿瘤在放疗过程中的变化，及时调整治疗方案。
保护正常组织
通过生物学监测，了解正常组织的耐受性和损伤情况，及时调整放疗剂量和方案，以减少副作用和并发症。
预测疗效和预后
根据生物学监测结果，预测治疗效果和患者预后，为后续治疗提供参考依据。
研究辐射对肿瘤细胞蛋白质表达和功能的影响，揭示辐射对肿瘤细胞蛋白质组的影响。
分子生物学技术
蛋白质组学分析
基因表达分析
基因组学技术
利用基因组学技术（如全基因组测序、单核苷酸多态性分析等）研究辐射对肿瘤细胞基因组稳定性的影响。
蛋白质组学技术
利用蛋白质组学技术（如质谱分析、蛋白质芯片等）研究辐射对肿瘤细胞蛋白质表达和功能的影响。
基因组学与蛋白质组学技术
放射生物学的基础理论
Ⅳ：以染色体损伤为指标，G2期最敏感
3．细胞放射损伤在修复： （1）亚致死性损伤的修复：亚致死性损伤是 指细胞受到照射后，能完全修复的损伤 （2）潜在致死性损伤的修复：潜在致死性损 伤是指细胞受到照射后，如有适宜的条件或环 境，这种损伤就可以修复，如果得不到适宜的 条件和环境，这种损伤将转为不可逆的损伤， 从而使细胞最终丧失分裂能力。低敏感细胞 （3）致死性损伤：是指细胞所受的损伤在任 何情况下都不能恢复的损伤。M期细胞或大剂 量照射
（五）Ｌ－Ｑ模式仅在下列条件下 才能应用：
１、每次照射后的亚致死性损伤的修复必须完全； ２、每次照射所产生的生物效应相似 ３、没有把时间因素即细胞增殖考虑在内 ４、细胞周期自我致敏忽略不计
（六）、Ｌ－Ｑ模式及它的衍生公 式在临床上应用
１、ＥＴＤ和ＢＥＤ ＥＴＤ即外推耐受剂量 ＢＥＤ即等效生物 剂量 Ｅ／a=nd(1+β/a d)=ETD or BED 2、带有时间因子的ＬＱ等效换算公式Ｐ３３９ ３、带有不完全修复因子的ＬＱ等效换算公式 Ｐ３３９
2.影响细胞放射敏感性的因数：
①细胞分化程度与放射敏感性成反比
②细胞内CAMP的水平，CAMP水平愈低，放射敏感性 愈强，研究表明细胞分裂相越多，细胞CAMP水平越低。 ③电镜下线粒体数量与放射敏感性 线粒体数量越少，越敏感，淋巴细胞线粒体少，心肌 细胞线粒体多
④具有多种归属的结缔组织细胞在发展的不同阶 段有不同的敏感性，纤维母细胞最敏感（瘢痕组 织），内皮细胞（血管内皮细胞：血管肉瘤 胸膜 内皮细胞：见皮瘤）为中度敏感，纤维细胞（纤 维瘤）低敏感。 ⑤恢复能力强的细胞较敏感：小肠隐窝细胞、唾 液腺细胞、肝细胞、肾细胞、具有内分泌的腺体
（四）单靶单击与单靶多击
细胞的死亡或者来自于单次致死性的击中细胞中的 靶或者来至于分成２次击中所产生的亚致死性损伤 的相加。前者以ad表示，后者以βd2表示。因而其最 终的细胞存活率为：Ｓ＝e-(ad+d2)。可以分别把它们 简称为a型细胞杀灭及β型杀灭．它们的单位分别为 Gy-1和Gy-2。它们的比值即α／β＝d（Gy）。当细胞 存活曲线肩区较大时，则α／β值小，而肩区小时则 α／β值较高。 α／β值相当于a型细胞杀灭和β型杀灭 二者生物效应相等时所需的剂量。Ｓ＝e-(ad+d2)即是 所谓的线性－平方模式。
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所致。辐射造成的细胞死亡常见于那些不断进行分裂 的细胞，但也见于那些不进行分裂的细胞。 二、细胞死亡的形式 1.有丝分裂死亡 由于染色体的损伤，细胞在试图进 行有丝分裂时死亡。死亡可发生在照射后的第一次或 以后的几次分裂。所以在临床上可以见到射线照射后， 肿瘤不会立即缩小，甚至出现临时性增大的现象，以 后，随着肿瘤细胞的不断死亡，肿瘤才会缩小。
第一节 辐射诱导的DNA损伤及修复
第二节 靶学说要点
辐射所致的细胞死亡
生物结构内存在对放射敏感的部分，称之为 “靶”，其损伤将引发某种生物效应；
电离辐射以离子簇的形式撞击靶区，击中概率遵
循泊松（Poisson）分布; 单次或多次活或断裂等。
2.间期性细胞死亡
间期性细胞死亡属于细胞死亡的另一种形式，它与细
胞分裂无明显的关联。它主要发生于射线照射后几小 时以内，这样很容易被理解为对射线较敏感的肿瘤细 胞。 在所有的实体肿瘤中，约1/3的肿瘤细胞死亡属间期性 细胞死亡，其中淋巴细胞死亡是最典型的例子。
第三节
细胞放射存活曲线
一、概念
现代医学，利用有关药物，制止了细胞中的纺锤丝的 形成，从而抑制了细胞的有丝分裂，使细胞分裂停止于G0 阶段，利用该技术的有关药物有效地遏制了癌细胞的恶性 增殖和扩散。
二、细胞周期时相及放射敏感性 不同时相细胞放射敏感性变化的主要特征 1.有丝分裂期（M期）细胞或接近有丝分裂期的细胞是放 射最敏感的细胞。 2.晚S期细胞通常具有较大的放射抗拒性。 3.若G1期相对较长，G1早期细胞表现相对辐射抗拒，其后 渐渐敏感，G1末期相对更敏感。 4.G2期细胞通常较敏感，其敏感性与M期的细胞相似。
第二节 电离辐射的直接作用和间接作用
一、直接作用
DNA的单链或双链中的某一个或多个原子被电 离辐射照射后直接发生电离或激发，导致单链或 双链断裂，启动一系列事件和生物改变，这是电 离辐射对生物体的“直接作用”。 高LET射线（中子或α粒子）主要是直接作用
二、间接作用
细胞是生物体的基本单元，而细胞中80％是水， 电离辐射作用于水，水分子被电离，以后又发生 一系列反应。如：
第一章 电离辐射对生物体的作用
掌握电离辐射的直接作用
第二章 电离辐射的细胞效应
掌握细胞周期时相与放射敏感性
第三章 肿瘤的放射生物学概念
掌握肿瘤体积倍增时间；Tpot的概念
第四章 正常组织及器官的放射反应
掌握早反应组织和晚反应组织
第五章 分次放射治疗的生物学基础
掌握“4Rs”概念
第一章 电离辐射对生物体的作用
细胞致死机制
照射所致细胞死亡的敏感部位在核内；
DNA是射线杀伤细胞的主要靶； DNA的破坏，中断了细胞分裂所必须的DNA复制过 程； DNA损伤主要为单链或双链的断裂；单链断裂在一 定条件下还可能修复，双链断裂则难以修复，导 致细胞死亡。
一、细胞死亡的概念
是放射线对细胞的遗传物质和DNA造成不可修复的损伤
H2O(放射线)→ H2O+ + e H2O+ →H
+ OH• H2O+ + H2O → H3O+ + OH• H2O + e- → H2O- →OH- + H•
+
这些反应中产生的自由基（ OH• 和H• ）可以扩 散到足够远，达到并损伤关键靶DNA——间接作用
第二章 电离辐射的细胞效应
细胞存活曲线：是描述放射线照射剂量和细胞存活分数之
间的关系，用以研究和评估电离辐射对哺乳动物细胞增殖 能力的影响，对放射生物学研究和临床放射治疗具有重要 意义。
放射生物学规定：鉴别细胞存活的唯一标准是，受照 射后细胞是否保留无限增殖的能力，即是否具有再繁殖的 完整性。（增殖细胞而言）
二、临床意义
首先它推测的是肿瘤控制的效果，是从实验角度评估 疗效的良好指标；其次，在这个严格定义下，提示临床必 需重视这种存活细胞，这种具有无限增殖能力的细胞是治 疗中必须根除的细胞，否则将留下导致复发和转移的隐患 。
第四节
细胞周期时相与放射敏感性
一、细胞周期
细胞从一次分裂完成时开始，到下一次分裂完成时为 止，为一个细胞周期。一个细胞周期包括两个阶段：分裂 间期和分裂期，分裂间期为分裂期进行活跃的物质准备， 完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成，同时细胞有适度 的生长。有丝分裂间期分为G1（DNA合成前期）、S（DNA合 成期）、G2（DNA合成后期） 三个阶段，其中G1期与G2期 进行RNA（即核糖核酸）的复制与有关蛋白质的合成，S期 进行DNA的复制。其中，G1期主要是染色体蛋白质和DNA解 旋酶的合成，G2期主要是细胞分裂期有关酶与纺锤丝蛋白 质的合成。在有丝分裂间期，染色质没有高度螺旋化形成 染色体，而是以染色质的形式进行DNA（即脱氧核糖核酸） 单链复制。有丝分裂间期是有丝分裂全部过程重要准备过 程，是一个重要的基础工作。分裂期——M期
第一节
辐射生物效应的时间标尺
不同水平生物效应的发生时间、顺序和过程。
生物系统受照射后辐射效应的时间标尺
1.物理阶段
主要指带电粒子和构成组织细胞的原子之间的相互作
用 2.化学阶段 指受损伤的原子和分子与其他细胞成分发生快速化学 反应的时期。 特点：清除反应之间的竞争 3.生物阶段 所有继发过程。DNA损伤的修复、早晚反应等。
第三层次 分化的终末细胞组成
不再具有分裂能力
第四层次 死亡及正在死亡的细胞组成
细胞从一个层次向另一个层次的转化在肿瘤内是持续发生的。
在一些治疗期间或之后可能出现细胞从Q层次向P层次移动，称 再补充，而从P到Q的转化也是必然存在的。有些细胞由于营养 不足而不能继续分裂，有些可能由于自然分化进程而进入分化 层次。有些可能离开原发包块，这些导致了肿瘤的细胞丢失现 象。
第三章 肿瘤的放射生物学概念
肿瘤的细胞动力学层次
第一层次 活跃分裂的细胞组成(P细胞)
第二层次 静止或G0期细胞组成(Q细胞)
新生肿瘤 肿瘤 体积增长的主要来源。在整个肿瘤细胞群中所占的比例称生长比例(GF) 。 可再进入细胞周 期。可能是克隆源性的(有能力再群体化出一个肿瘤)，治疗中必须消灭。